阅读说明：本技术 一种可变式矩阵声音定位系统及定位方法 (Variable matrix sound positioning system and positioning method ) 是由 莫怡帆 单庆祝 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种可变式矩阵声音定位系统及定位方法。可变式矩阵声音定位系统包括：多个声音传感器,用于构建三维坐标系以及拾取声音数据；数据处理装置,基于所述多个传感器的位置构建三维坐标系,并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置；接收所述声音传感器拾取的声音数据,计算出声源距每个声音传感器的距离；基于每个传感器的位置数据,计算声源在所述三维坐标系中的位置；多条等长度数据传输线,每条连接在所述声音传感器与数据处理装置之间。有的声学照相机或听诊器相比,本发明的定位系统可根据使用人员意愿或使用场地布置检测矩阵,适用环境不受限,可满足车辆在运行过程中的底盘、机舱内部的异响源的定位。(The invention provides a variable matrix sound positioning system and a positioning method. The variable matrix sound localization system comprises: a plurality of sound sensors for constructing a three-dimensional coordinate system and picking up sound data; a data processing device which constructs a three-dimensional coordinate system based on the positions of the plurality of sensors and marks the position of each sensor in the three-dimensional coordinate system; receiving sound data picked up by the sound sensors, and calculating the distance from a sound source to each sound sensor; calculating a position of a sound source in the three-dimensional coordinate system based on the position data of each sensor; and each equal-length data transmission line is connected between the sound sensor and the data processing device. Compared with the existing acoustic cameras or stethoscopes, the positioning system can arrange the detection matrix according to the will of users or the using places, is not limited in applicable environment, and can meet the positioning of abnormal sound sources inside a chassis and a cabin in the running process of a vehicle.)

一种可变式矩阵声音定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及车辆检测领域，具体涉及一种可变式矩阵声音定位系统及定位方法。

背景技术

汽车产品涉及到的零部件较多，且车辆使用环境恶劣，因此汽车使用一段时间往往会出现底盘某些部件异响，从而影响驾驶人员及乘客的驾驶或乘坐感受。底盘部件结构复杂且在不同工况下的噪声大小也不相同，难以锁定是哪些部件的噪声问题造成的，因此工程师也无法通过优化结构或更换部件快速解决噪声问题。

现有技术中声音定位的方式一般是通过声学成像和光学成像相结合的方法辅助寻找声源，如授权公告号为CN1764828B的中国专利所公开的摄录物体声学图像的方法和装置，是通过集成了视频相机和麦克风阵列的声学相机，视频相机和麦克风阵列分别从待侧物体一侧拾取信号以分别确定声学图像区域和光学图像区域，通过声、光区域的重叠以确定声源较强的区域，该专利的声学相机可针对静止的物体确定出物体上声源的具***置，并通过在图像上通过颜色的深浅显示出哪些地方的声强更大、哪些地方的声强更小。该专利包括麦克风阵列、光学相机、角度传感器、数据记录单元、核准装置以及计算机等，结构复杂、价格昂贵。声学照相机可以直观的看到异响发生位置，但是体积庞大，无法针对车辆运动时底盘发出的异响问题的定位。同时因需要定位人员通过手持的方式对异响源进行拍摄、接收声源信号。在使用过程中存在一定安全隐患。

电子听诊器也是目前市面主流的异响定位设备。电子听诊器体积小，虽可通过吸附于底盘上进行定位，但是需要多次反复移动，效率低下。而且不同探头均有误差，易产生判断错误。此外最重要的是，不能储存定位数据。

因此，需要一种操作方便无需人手持的声音定位系统，可以直观地显示异响位置，并可进行数据储存。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种可以针对不同尺寸车辆在运动时底盘类异响问题进行定位的设备。本发明的设备可以直观的显示异响点，操作方便无需人手持定位仪器，确保在使用过程中定位人员的安全性，还可以进行数据储存。

根据本发明的一个方面，提供一种可变式矩阵声音定位方法，所述方法包括：

在车身周围设置多个声音传感器；

基于所述多个声音传感器构建三维坐标系，并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置；

通过所述多个声音传感器拾取声音数据；

计算出声源距每个声音传感器的距离；

基于每个传感器的位置数据，计算声源在所述三维坐标系中的位置。

进一步地，在所述多个声音传感器中选择一个声音传感器作为原点传感器，该原点传感器的位置设置为三维坐标系的原点；

所述原点传感器与任意一个声音传感器的连线作为一个坐标轴，在此基础上构建所述三维坐标系。

进一步地，对所述多个声音传感器拾取的声音数据进行频率分析，选定异响的频率范围。

进一步地，根据多个声音传感器拾取到的声压数据，计算出异响声源距每个声音传感器的距离。

优选地，包括4个声音传感器A₀、A₁、A₂、A₃。

进一步地，异响声源S的坐标为(X,Y,Z)，则

X＝d²-(2t₀+Δt₃)C²Δt₃/2d (9)

Y＝b²-(2t₀+Δt₂)C²Δt₂/2b (10)

Z＝a²-(2t₀+Δt₁)C²Δt₁/2a (11)

其中，A₀、A₁、A₂、A₃表示声音传感器，坐标为(0,0,0)、(0,0,a)、(0,b,0)、(d,0,0)，异响声源S发出的声波到达各声音传感器的时间为t₀、t₁、t₂、t₃，相对t₀的时间差为Δt₁、Δt₂、Δt₃，异响声源S到各声音传感器的距离分别为L₀、L₁、L₂、L₃，声音在空气中的传播速度为C。

进一步地，异响声源S发出的声波到达声音传感器A₀的时间为：

t₀＝Δt₁/(20^{(LpA0-Lp A1)}-1)

其中，LpA₀表示传感器A₀声压级，Lp A₁表示传感器A₁声压级。

根据本发明的另一方面，提供一种可变式矩阵声音定位系统，所述系统包括：

多个声音传感器，用于构建三维坐标系以及拾取声音数据；

数据处理装置，基于所述多个传感器的位置构建三维坐标系，并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置；接收所述声音传感器拾取的声音数据，计算出声源距每个声音传感器的距离；基于每个传感器的位置数据，计算声源在所述三维坐标系中的位置；

多条等长度数据传输线，每条连接在所述声音传感器与数据处理装置之间。

进一步地，所述声音传感器为磁吸式三向激光测距定位声音传感器。

进一步地，所述系统还包括显示器，与所述数据处理装置信号连接，用于显示异响声源在所述三维坐标系中的位置及坐标。

与现有的声学照相机或听诊器相比，本发明的定位系统可根据使用人员意愿或使用场地布置检测矩阵，适用环境不受限，可满足车辆在运行过程中的底盘、机舱内部的异响源的定位。此外，可以通过建立三维坐标系的方式构建虚拟的检测矩阵，可选择需要的声音进行处理，以三维空间形式显示异响位置。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明实施例的可变式矩阵声音定位系统的示意图。

图2示出了本发明实施例的基于三维坐标系计算异响位置的示意图。

图3示出了本发明实施例的异响声源在三维坐标系中的位置示意图。

图4示出了本发明实施例的异响音频处理及异响位置显示示意图。

图5示出了本发明实施例的可变式矩阵声音定位方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明中，通过激光测距，以基准激光测距定位声音传感器建立三维虚拟空间的坐标原点，通过各传感器自带的激光测距功能标定各声音传感器位置。数据处理装置根据标定结果建立虚拟的检测矩阵。

由于声音到传感器的距离越远，声强就越小。数据处理装置通过收集声压到该矩阵各传感器的声压数据，计算出声源距各传感器的距离，再结合虚拟的三维矩传感器矩阵位置关系，显示出声源在三维空间的位置。三维空间中显示的位置即为实际发声位置。

如图1所示，本发明提供一种可变式矩阵声音定位系统，所述系统包括：

多个声音传感器，用于构建三维坐标系以及拾取声音数据；

数据处理装置，基于所述多个传感器的位置构建三维坐标系，并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置；接收所述声音传感器拾取的声音数据，计算出声源距每个声音传感器的距离；基于每个传感器的位置数据，计算声源在所述三维坐标系中的位置；

多条等长度数据传输线，每条连接在所述声音传感器与数据处理装置之间。

优选地，所述声音传感器为磁吸式三向激光测距定位声音传感器。为了便于在车身上布置传感器，本发明优选使用磁吸式声音传感器。传感器需要具备以下功能：记录声音的频率、声压等声音数据。具备隔震效果，防止车体金属传递的振动的影响。此外，为了构建三维空间坐标系，声音传感器需要能够通过标定方式组建坐标系，具有三向(X、Y、Z)激光测距定位功能。

进一步地，所述系统还包括显示器，与所述数据处理装置信号连接，用于显示异响声源在所述三维坐标系中的位置及坐标。

优选地，数据传输线选择带屏蔽防干扰的高速数据传输线，优选纯银导线或镀金导线，电阻误差在0.01欧姆以内。

本发明的定位系统至少包括4个声音传感器，优选的为8个声音传感器。可根据使用者意愿调整传感器的设置位置和数量。

其中选择一个声音传感器作为原点传感器，该原点传感器的位置设置为三维坐标系的原点。原点传感器与任意一个声音传感器的连线作为一个坐标轴，在此基础上构建所述三维坐标系。由于传感器具有测距定位功能，因此可以获得每个传感器的位置数据以及与原点传感器之间的距离数据，可以在数据处理装置中构建三维坐标系，并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置。

进一步地，数据处理装置接收传感器传来的声音数据，首先对所述多个声音传感器拾取的声音数据进行频率分析，选定异响的频率范围，再根据多个声音传感器拾取到的声压数据，计算出异响声源距每个声音传感器的距离。结合每个传感器在三维坐标系中的位置数据，就能够计算出异响声源的坐标值，并在三维坐标系中标记位置。

图2示出了本发明实施例的基于三维坐标系计算异响位置的示意图。在图2中的坐标系中，S代表异响声源，坐标为(X,Y,Z)，A₀、A₁、A₂、A₃表示声音传感器，坐标为(0,0,0)、(0,0,a)、(0,b,0)、(d,0,0)，传感器设置在三维坐标系的坐标轴上。可以通过传感器的激光测距，或者辅助的标定设备来设置传感器的位置，使其位于坐标轴上，便于本实施例计算。

异响声源S发出的声波到达各声音传感器的时间为t₀、t₁、t₂、t₃，相对t₀的时间差为Δt₁、Δt₂、Δt₃。设异响声源S到各声音传感器的距离分别为L₀、L₁、L₂、L₃，根据声音在空气中的传播速度为常量C，可以得到以下的计算公式：

L₀＝Ct₀ (1)

L₁＝Ct₁＝C(t₀+Δt₁) (2)

L₂＝Ct₂＝C(t₀+Δt₂) (3)

L₃＝Ct₃＝C(t₀+Δt₃) (4)

L₀ ²＝X²+Y²+Z² (5)

L₁ ²＝X²+Y²+(a-Z)² (6)

L₂ ²＝X²+(b-Y)²+Z² (7)

L₃ ²＝(d-X)²+Y²+Z² (8)

将(1)(2)(3)(4)带入(5)(6)(7)(8)，求解可以得到：

X＝d²-(2t₀+Δt₃)C²Δt₃/2d (9)

Y＝b²-(2t₀+Δt₂)C²Δt₂/2b (10)

Z＝a²-(2t₀+Δt₁)C²Δt₁/2a (11)

在结果中已知参数为：t₁、t₂、t₃、C、a、b、d；只有t₀未知。

当声源尺寸远小于测点到声源的距离时(点声源)，声波以球面波的方式较均匀地向各个方向辐射，这种声源称为点声源。球面波的强度与声源距离的平方成反比。结合声压、声压级、声功率、声功率级的关系式，在常温下球面声波随距离衰减的表达式为：

Lp＝Lw-20Lgr-k (12)

其中，k为修正系数，自由空间k＝11，半自由空间k＝8。推导过程如下：

距离r₁和r₂之间的声压级差值为：

Lp1-Lp2＝20Lg(r₂/r₁)

结合式(1)和(2)可得

LpA₀-LpA₁＝20Lg((t₀+Δt₁)/t₀)

则t₀＝Δt₁/(20^{(LpA0-Lp A1)}-1)

将t₀带入公式(9)(10)(11)中可得S的坐标值X、Y、Z。

本发明的计算方法可以在数据处理装置以软件方式实现，软件可以是基于windows、iOS、linux等常规系统开发，可以具备以下功能：读取数据、接收数据、计算处理数据、存储运算结果等。可以通过软件方式构建三维空间坐标系，显示标定好的三维空间，并在空间中显示定位结果。还可以控制数据处理装置对收集到的数据按要求进行处理，包括但不限于声音频率、声音压强的筛选。

软件视图界面可以如图3或图4所示。图3示出了本发明实施例的异响声源在三维坐标系中的位置示意图。在图3中，在三维空间中显示出异响位置，并给出了坐标数据。

图4示出了本发明实施例的异响音频处理及异响位置显示示意图。在图4所示的实施例中，采用8个声音传感器，构建了检测矩阵。通过软件视图界面可以完成声音频率、声音压强的筛选，并且根据计算结果，在空间检测矩阵中显示出异响位置。

图5示出了本发明实施例的可变式矩阵声音定位方法的流程图。如图5所示，本发明的可变式矩阵声音定位方法包括：一种可变式矩阵声音定位方法，其特征在于，所述方法包括：

在车身周围设置多个声音传感器；

基于所述多个声音传感器构建三维坐标系，并且在三维坐标系中标记每个传感器的位置；

通过所述多个声音传感器拾取声音数据；

计算出声源距每个声音传感器的距离；

基于每个传感器的位置数据，计算声源在所述三维坐标系中的位置。

具体地，在所述多个声音传感器中选择一个声音传感器作为原点传感器，该原点传感器的位置设置为三维坐标系的原点；所述原点传感器与任意一个声音传感器的连线作为一个坐标轴，在此基础上构建所述三维坐标系。

优选地，对所述多个声音传感器拾取的声音数据进行频率分析，选定异响的频率范围。然后，根据多个声音传感器拾取到的声压数据，计算出异响声源距每个声音传感器的距离。结合每个传感器的位置数据，计算异响声源在所述三维坐标系中的位置。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。